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离心压缩机干气密封系统原理及泄漏原因分析

密封系统为串联式双端面干气密封,由连续放置的两组单端面干气密封组成。经过滤的纯净合成气作为主密封气进入一级密封腔,其压力比工艺气体压力高0.2-0.3MPa,起到阻隔作用,有少量密封气会进入缸内,但其为纯净的合成气,故不会产生污染。工业废气治理

另一部分气体经过两级干气密封之间的梳齿密封分为两路,一部分作为一级泄漏(也称一次泄漏)直接排至火炬系统,另一部分进入二级密封腔充当二级密封气。然后再经梳齿密封由二级泄漏管道与隔离气一起排出引至火炬系统。隔离气(氮气)起着最后一道密封作用,其压力略高于二级密封气,确保二级密封气不会泄漏至大气侧。

通过离心压缩机合成气泄漏事例,分析装备干气密封系统的离心压缩机发生气体泄漏情况,如干气密封的一级泄漏气和主密封气通过中分面泄漏至轴承箱。

1、导言
随着石油、化工行业的快速发展,低能耗、高效益、零污染、长周期的发展方向已成为石油化工行业的发展趋势。大型压缩机组是石化行业的关键设备,其密封性能的好坏决定装置能否平稳安全运行。干气密封以其低泄漏、经济实用性好、密封寿命长和运行可靠等特点脱颖而出。干气密封是一种新型的旋转轴用非接触密封,它是在气体润滑轴承的基础上,由接触型液膜机械密封改进而来。上世纪60年代末,约翰克兰公司研制出首套干气密封并应用于离心压缩机。随着密封行业以及流体动力学的快速发展,已经衍生出各种型式的干气密封。目前,干气密封已在石油、化工、冶金、航空等行业中广泛使用。因此在本文之中,主要是对离心压缩机干气密封系统原理及泄漏原因进行了全面的分析研究,并且也是在这基础之上提出了下文中的一些内容,希望能够给予相同行业进行工作的人员提供出一定价值的参考。 
2、干气密封工作原理

干气密封是一种新型非接触式密封,其利用流体动力学原理,通过开设在密封端面上的动压槽来达到密封端面的非接触运行。由旋弹簧、旋转环、静环、密封圈以及弹簧座和轴套组成。旋转环密封面经过研磨、抛光处理,并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。干气密封旋转环旋转时,将密封气体吸入动压槽内,沿着密封堰流动。在密封堰的节流作用下,气体被压缩,压力升高,将密封面推开,在两个密封面间形成一层很薄的气膜。气体动力学研究表明,当干气密封两端面的气膜厚度在2-3微米时,气体流动层最为稳定,因此,干气密封气膜厚度设计值选定在2-3微米。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时,气膜厚度保持恒定,干气密封稳定运转。

当外部存在干扰,气膜厚度减小,而气膜反向力增大,此时开启力大于闭合力,在开启力的作用下,密封面间隙增加,随着密封间隙的增加,开启力相应减小,直至开启力与闭合力相等时,此时密封间隙恢复到正常值。若密封气膜受外部干扰而厚度增大,此时气膜反向力减小,闭合力大于开启力,在闭合力的作用下,密封间隙减小,随着密封间隙的减小,闭合力也相应减小,直至闭合力与开启力相等时,密封面恢复至正常值。因此,只要保证在安装时密封间隙处于设计范围内,当外部干扰消失以后,密封系统就会恢复稳定。 

3、密封失效原因

一是干气密封失效调取压缩机前端干气密封(联轴器侧)近半年的运行数据,从数据可以看出,例如某压缩机前端干气密封一级泄漏压力自2011年12月起从原来的0.15MPa升高到0.2MPa,长达3个月一直波动异常,说明干气密封出现问题。

二是橡胶密封圈失效干气密封的密封气是合成气,工艺介质为循环气(包括合成气、丙烯及醛气),工艺介质对干气密封系统的橡胶密封圈存在腐蚀,可能导致密封圈泄漏。

三是壳体中分面密封失效如果压缩机壳体中分面密封胶老化或失效,工艺介质会通过中分面进入轴承箱。由于干气密封一级泄漏管道接口在此中分面附近,也可能出现合成气通过中分面进入一级泄漏管线中,导致干气密封一级泄漏压力增大,因此必须要对其引起足够的重视。 

4、泄漏情况分析

一是干气密封的一级泄漏气通过中分面连接处窜入轴承箱内,现象是轴承箱内带有合成气,现场情况即是轴承箱内带有合成气,故此种情况有可能。

二是主密封气(合成气)通过中分面泄漏至轴承箱,说明中分面密封胶失效,现场实际检修发现,接触部位中分面有密封胶皮脱落,并且泄漏发生时轴承箱内带有合成气,故此种情况有可能。

三是泄漏途径。主密封气(合成气)通过干气密封的一级密封后,至一级泄漏密封腔内,一部分排至火炬,另一部分一级泄漏气通过与一级泄漏密封腔连接的压缩机壳体大盖中分面处,泄漏至轴承箱。另一泄漏途径是主密封气通过一级密封腔与压缩机壳体大盖中分面密封处,直接泄漏至轴承箱。

四是失效原因。壳体中分面为刚性密封面,检修时涂抹一层704密封胶,解体检查中分面并没有凹坑、划痕等缺陷,可判定为密封胶失效。失效原因:首先密封胶质量不合格或贮存不当,或是超过有效期继续使用,同时混用多个厂家密封胶。其次检维修质量不严格,密封胶涂抹不均匀,密封胶固化时间不够(要求12~24h),大盖螺栓预紧力不均匀。最后操作工艺不稳定。生产切换频繁,工艺参数调整,生产负荷变化或岗位操作不当。 

5、处理措施
更换前后两套干气密封;清洁壳体中分面表面,除去残余胶皮、锈迹、灰尘和油污等杂质。选用同一厂家生产的同种规格704密封胶,检查有效期。沿中分面用腻刀均匀涂抹密封胶,涂抹厚度约1mm。中分面内侧约留3mm空白,防止密封胶挤压后进入缸内。回装大盖,使用力矩扳手对称均匀拧紧螺栓至规定的预紧力。压缩机壳体回装完毕,随后等待24h使中分面密封胶完全固化。油系统调试及运行正常后,进行干气密封测试、系统充压各密封点进行气密试验。 
6、经验与教训

一是做好设备预知维修。针对干气密封的使用寿命,提前做好监测、评价和检修更换工作,避免等干气密封出现故障时再进行事后維修的被动。厂原计划装置停工检修时对压缩机进行大修,如果上一年大检修时对设备进行强制检修,应该不会发生此次泄漏。

二是注重检修质量控制。按照压缩机壳体大盖所用的704密封胶使用规范,注意密封胶的规格型号和产品性能,严格控制使用有效期、实际涂抹厚度、固化时间等指标。按照压缩机安装要求,使用力矩扳手按照紧固顺序对称均衡把紧螺栓至规定的预紧力,保证受力均匀且紧固到位。

三是健全机组特护制度。完善细化压缩机大机组特护制度和重点设备状态监测制度,提高故障分析判断和及时抢修能力。当发现前机封泄漏压力有波动时,未引起重视,拖到停工大检修时再解体检修,没有做出合理、准确的运行评估报告。炼化尾气回收

四是尽管此次只是合成气泄漏,未发生工艺介质泄漏,但应汲取教训,深刻反思对大机组管理机制和检修质量控制力度,全面了解干气密封系统可能发生气体泄漏的各种情况,有效提高压缩机气体泄漏故障的分析判断和及时准确解决能力。 

7、结论

总之,通过干气密封系统工作原理的介绍,并在此基础上对引起干气密封泄漏的原因进行分析,找出了富气压缩机干气密封主密封气泄漏量变大的主要原因,并提出解决方案,避免了因干气密封泄漏而造成装置非计划停车。

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